中美规范公路混凝土桥梁设计的分析与比较

　   【摘 要】美国作为世界第一大经济体系，这与其优秀的桥梁设计规范密不可分，现阶段我国桥梁设计仍然有许多值得借鉴美国的地方，本文从中美桥梁设计规范入手，就中美两国公路混凝土桥梁规范设计中的差异与共同点进行分析、比较和总结。 
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　　【关键词】混凝土桥梁；设计规范；中美比较 
　　1 中美公路桥梁设计规范对比 
　　美国发达的运输业是支撑国民经济的重要组成部分，随着我国经济实力与美国日渐缩小，所面临的桥梁规范问题出现了一定同质化现象，所以对两国的桥梁设计规范进行对比是非常有必要的。为保持我国市场经济持续繁荣，在混凝土桥梁安全问题上，各级部门始终保持着张远的战略眼光，在设计过程对于西方发达国家的设计规范采取了一定借鉴，并最终形成符合国情的规范标准。当今世界内容最为可靠、结构最为明晰的当属美国公路LRFD桥规，自1999年遍布后，对于我国混凝土桥梁设计规范的影响十分深远。 
　　1.1 极限状态方程式的对比 
　　在对公路混凝土桥梁设计中，通常使用极限状态法进行设计，在《美国规范》中所使用的极限状态，是为了保证裂缝、应力不超限，对应中国规范中的短暂状态与持久状态所需验算的各项指标，其中强度极限状态和中国承载能力极限状态的含义相同。美国的极限的状态方程式为： ①，在方程式中，Wu代表桥梁荷载效应设计值；Rn是结构抗力标准值，通过桥梁的强度标准值进行计算确定； 是结构抗力的折减系数。 
　　中国的极限状态方程式为： ②，在方程式中， 代表了混凝土桥梁结构的重要性系数，根据当前我国公路桥涵的设计安全等级，按照一级、二级和三级的标准分别取值为1.1、1.0和0.9，在对桥梁的抗震设计中不需要考虑该系数；S代表了荷载效应或作用效应的组合设计值；R代表了桥梁构件的承载力设计值。 
　　从①②两方程式对比可以看出，中美两国在公路桥梁的极限状态表达式上是趋于一致的，即效应≤抗力，也作为了桥梁结构设计中所需遵循的普遍原则。在美国规范中综合考虑桥梁延性、超静定性以及运营重要性影响，将各种系数和状态集中在公式中进行了表达，体系了桥梁结构的重要性。在中国桥梁设计规范中将桥梁正常使用极限状态与承载能力极限状态分开进行表达，在抗震计算时还需对抗拉和荷载效应进行有效调整。 
　　1.2 荷载效应的对比 
　　（1）荷载分类的对比 
　　中美两国规范中均根据公路桥梁的荷载随时间的变异性进行了荷载分类。在《美国规范》中主要将公路桥梁荷载分为了永久荷载与瞬变荷载两大类。在中国《公路桥梁通用规范》中将荷载划分为了永久作用、可变作用和偶然作用，其中偶然荷载也一并划分为了瞬变荷载中。从两国的规范中可以看出对永久荷载的划分具有较大的相同，然而中国规范中将水的浮力、混凝土收缩徐变以及基础变位都被列为了永久荷载，而在美国规范中则将其列为了瞬变荷载中，相较而言，美国规范更为合理准确。 
　　（2）荷载效应设计值的对比 
　　中国公路桥涵设计的相关规范当中，对于荷载取值标准非常科学与严谨，参照2004年颁布的桥涵设计通用规范，公路Ⅰ级荷载中明确表示车道荷载规范值是10.5KN/m，集中荷载取值标准则根据桥梁跨径来判断，在实际应用中，桥梁理论跨径≤5m时，规范值为180KN；桥梁理论跨径大于等于50m的情况下，集中荷载取值则需要专业人员经过直线内插计算来分析得出。车道荷载的规范值必须于结构最差效应相对应，集中荷载规范值在需要和影响线内的最大值相同。最后，如果其中含有剪力效应，规范值则需X1.2的系数。 
　　美国桥梁结构设计规范中对于荷载取值的标准与我国略有不同，美国路桥结构设计规范里的荷载分为车道荷载与重卡车荷载（挂车），在重轮压力之下的取值为145KN，其中后轴与中轴的间距是根据车辆运行时所造成的最差影响，规范值在4.0～9.0m之间欺负，卡车与挂车的荷载设计是以军事化规格来进行的，充分考虑到了公路桥梁可能面临的各种情况，车轴中立为112KN，车轴间距为1.20m，车道荷载规范值为9.0KN/m。 
　　（3）荷载效应组合值对比 
　　通过对比不难发现，活载与恒载的组合结果，我国的组合值为1.2Sg+1.5Sha，而美国组合值是1.25Sg+1.74Sha。我国活载计算如果以Ⅰ级公路为例，那么车道荷载为10.0KN/M，集中荷载标准值为285KN，y值取1.5，冲击细数值为1.013，经过计算得出，活载值为5013KNm；美国的活载计算以单车为荷载值9.2KN/m为例，间距1.2m，双轴的荷载值为110KN，y取值1.75，冲击系数值1.33，经计算，荷载值6013KNm。 
　　1.3 混凝土构件抗力的比较 
　　（1）构件抗拉系数规范的对比 
　　在美国规范中混凝土结构抗力系数与其材料性质、构件类型以及施工方法均有着紧密联系，其中抗力系数均≤1.0，并通过对抗力系数的控制已实现对结构抗力的降低，提高公路桥梁结构的安全性。中国相关规范中缺乏类似抗力系数和参数计算的规定，具体混凝土构件结构的抗力通过相应公式进行计算，然后有结构重要性系数将荷载效应放大，以保证公路桥梁结构的安全。 
　　（2）抗弯构件的计算规范的对比 
　　当混凝土构件满足或接近极限荷载时的混凝土应力分布呈抛物线、梯形等线性关系时，中美两个规范中都将构件受压侧部位达到了极限压变值，其极限压变值分别为0.0033和0.003，然后按照合力等效的原则将其简化为矩形应力，并通过平截面假定推算出受拉侧的应力值，以建立截面的平衡条件，从而建立方程式求解。其中，中美两国抗弯构件的计算简图分别如下图1、下图2所示。 
　　图1 中国混凝土抗弯构件计算简图 
　　图2 美国混凝土抗弯构件计算简图 
　　（3）抗剪构件的计算规范的对比 
　　中美两国在公路桥梁混凝土构件的抗剪承载力方面的规定大体一致，其抗剪承载力主要由混凝土、箍筋与弯起预应力三者所共同组成，构件的抗剪承载力下限和抗拉强度值相关，在美国规范中还计入了预应力影响。美国规范中受拉钢筋应变 综合对弯矩、轴力和预应力作用进行考虑，用以描述摩擦传递剪力的作用，较精确，并利用剪切应力 作用方向为竖向， 为水平方向共同确定剪压角度。而中国相关规范中没有在计算公式中考虑弯矩的影响，采用了异号弯矩系数计入了弯矩计算公式中，并通过破坏斜截面水平投影长度来计算剪压角度。 
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